十字板剪切试验在软土工程勘察中的应用探讨——以广州南沙2019NJY-15号地块项目为例

乔高乾，安 宁

（广东有色工程勘察设计院，广东广州510080）

通过对广州南沙2019NJY-15 号地块项目初步勘察所揭示的地层可知，该地块有厚层软土分布，它的主要特点是含水量高、孔隙比大、饱和度高、压缩性高、抗剪强度低、承载力低。如果处理不当极易造成基坑坍塌、沉降过大、边坡失稳等工程事故，所以在开展下一步工程勘察中需要重点查明软土的物理力学参数。由于该类土灵敏度高，极易被扰动，所以如何选取正确的测试手段才能够准确测定该地层的物理力学参数便显得尤为重要。一般情况下，以钻探取样与原位测试相结合是大家较为公认的看法。比如，静力触探最大的优点在于精确地分层，用旁压试验测定软土的模量和强度较为合理，用十字板剪切试验测定内摩擦角近似为零的软土强度被证明是行之有效的。广州南沙2019NJY-15 号地块项目通过勘探与室内试验数据统计得到该场地的软土主要为淤泥，内摩擦较小。所以原位测试的方法选取为十字板剪切试验，该试验所测得的抗剪强度值，相当于试验深度处天然土层在原位压力下固结的不排水抗剪强度，由于十字板剪切试验不需要采取土样，避免了土样扰动及天然应力状态的改变，是一种有效的现场测试方法。

1 十字板剪切试验

1.1 基本假定

①软土层为各项均匀性土体且内摩擦角φ=0；②剪切破坏时，其高度为十字板高度，直径为十字板头直径。

式中：Cu——十字板抗剪强度；

D——十字板头直径，如图1所示；

H——十字板头高度，如图1所示。

由于十字板头和轴杆之间有贴电阻应变片的扭力柱连接，扭力柱测定的只是作用在十字板头上的扭力。因此，在计算土的抗剪强度时，不必进行轴杆与土体间的摩擦力和仪器机械摩阻力修正[1]。本次项目采用电测十字板仪；选用十字板宽度50mm，高度100mm。详见表1。

图1 十字板剪切简图

1.2 基本技术要求[2]

根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009年版），十字板试验应满足以下主要技术要求：

（1）十字板插入深度不应小于钻孔或套管直径的3～5倍；孔间距大于0.75～1m。

（2）十字板插入土后应停留2～3min，太短或太长会使强度减小或增大。

（3）剪切速度一般为1°～2°/10s，过快（粘滞性）过慢（固结）会使强度增加。一般3～10min会出现峰值后应继续剪切1min。

（4）测出峰值后应快速转动6 周，测重塑土的不排水抗剪强度。

2 工程实例分析

2.1 工程及地质概况

广州南沙2019NJY-15 号地块项目位于广州市南沙新区明珠湾起步区横沥岛尖，地处广州市南沙区凤凰大道西侧、下横沥水道北侧。项目总用地342754m2，拟建场地在大地构造上位于华南褶皱系（一级构造单元），粤北、粤东北—粤中坳陷带（二级构造单元），粤中坳陷（三级构造单元）南部，东莞断陷盆地（四级构造单元）。盆地南缘残丘地带见上白垩统岩层超覆不整合在下古生界变质岩或燕山期花岗岩上。下古生界变质岩和燕山期花岗岩组成盆地的复合型基底，其上沉积了深厚的白垩—第三系地层[5]。地质构造情况详见图2，项目平面位置见图3。

表1 十字板的主要规格

根据钻孔揭露资料，场地岩土层按成因类型自上而下划分为：①第四系人工填土层（Q4ml）：本层主要为<1-1>素填土；②海相沉积层(Q4mc)：本层主要为淤泥层<2-1>、淤泥质土层<2-2>、淤泥质粉细砂层<2-3>、淤泥质中粗砂层<2-4>、粉质粘土层<2-5>；③冲洪积层(Q3+4al+pl)：本层主要为粉细砂<3-1>、中粗砂<3-2>和砾砂层<3-3>；④残积层(Qel)：本层主要为砂质粘性土土层<4>；⑤三叠纪花岗岩（T3ηγ）风化带：本层按风化程度分为全风化带<5-1>、强风化带<5-2>、中风化带<5-3>及微风化带<5-4>。

其中本项目工程设计两层地下室，地下室基础埋深约10m。根据钻孔资料综合分析：基坑四周主要地层为：<1>层素填土、<2-1>层淤泥、<2-2>层淤泥质土、<2-3>层淤泥质粉细砂；基坑底部主要为<2-3>层淤泥质粉细砂。

基坑广泛分布软土层，其厚度较厚且分布不均，呈流塑状，部分软塑状，其具有含水量高、孔隙比、压缩性高、固结度差、灵敏度高、扰动性大、抗震性能低等特点。

图3 工程各地块平面图

2.2 软土试验的方法选择

本次勘察过程中对于软土采用了土工室内试验和现场原位测试相结合的方法，其中土工室内试验包括直接快剪试验、固结快剪试验、不固结不排水三轴试验（UU）和无侧限抗压强度试验，现场原位测试主要为十字板剪切试验和静力触探试验。

2.2.1 室内试验分析

针对本次揭示软土的物理特征，同时为了和原位测试进行比对分析，决定确定粘聚力指标(c)时，室内土工试验测试选用直剪快剪试验、固结快剪试验、不固结不排水三轴试验（UU）和无侧限抗压强度试验。

（1）直剪快剪试验和固结快剪试验。直剪快剪试验是在试样的原始状态下进行水平剪切；而固结快剪试验则是试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力。两种实验过程以保持土样的含水量在剪切前后基本不变，得到土的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ为有效应力强度参数。但两者所适用的工况不同，前者适用范围为土体的加荷速率快，排水条件差；后者适用范围为加荷具有一定的时间段留给土体进行固结排水。这两种试验的优点是简单方便，土体扰动小；缺点则是剪切面无法确定为最弱面，会导致实验数据偏大。

（2）不固结不排水三轴试验（UU）。三轴压缩试验是根据摩尔—库伦破坏准则测定土的强度参数：粘聚力c、内摩擦角φ。不固结不排水试验（UU）适用的条件是土体受力而孔隙压力不消散的情况。其破坏是试验的最弱面，得到的是总应力抗剪强度参数。适用范围是施工速度快，土体渗透系数较低，而排水条件差。

（3）无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即σ3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度。

本次进行室内试验取样时，主要是使用薄壁固定活塞取土器，采用连续快速静压法取土，原状土试样按Ⅰ-Ⅱ级要求进行采取，取样管直径101.6mm。

其中软土的室内土工试验指标统计结果如表2所示。

表2 抗剪强度试验成果统计表

2.2.2 现场原位测试

本次对初详勘地块内的软土进行十字板剪切试验，试验孔14个，试验点沿深度间距为2m，得到各试验点软土的不排水抗剪峰值强度、重塑土强度和灵敏度，其中典型十字板剪切曲线抗剪强度与深度关系曲线如图4所示。通过对该场地淤泥层的50个样品进行十字板抗剪强度统计得出：最大值为30.7kPa，最小值为6.10kPa，平均值为13.88kPa，标准差为4.91，变异系数为0.278，标准值为10.35kPa。

2.3 成果分析、方法间的相互比对及验证

（1）直剪快剪与固结快剪实验参数间关系。由于土体进行固结排水之后其结构得到了加强，土体中的孔隙水压力减小，所以从理论上分析原状试样直剪快剪试验的粘聚力和内摩擦角应小于固结快剪试验，慢剪>固结快剪>快剪[3]，通过表2试验统计结果显示与理论结果相符。

（2）三轴UU与无侧限抗压强度参数间关系。根据摩尔—库伦破坏准则的理论公式的关系推算，无侧限抗压强度试验结果只能做出一个极限应力圆（σ3=0，σ1=qu），对于饱和软土，根据三轴UU试验成果，其强度包线近似于一水平线，即φu=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度。其理论公式为根据表2的统计结果显示本次三轴UU试验所得的粘聚力Cuu=7.0kPa，无侧限抗压强度试验所得的qu=14.8kPa，两者结果与理论基本吻合。

（3）三轴UU与十字板剪切试验参数间关系。与室内试验相比，十字板是在试样受到自重作用的情况下进行测试，试验时对土体的结构不扰动，其结果更接近施工工况。根据规范、经验及本次实验资料表明，三轴UU的粘聚力约为原位十字板剪切试验抗剪强度的0.7 倍[4]。本次测试土样三轴UU的粘聚力标准值为Cuu=7.0kPa，现场原位测试十字板试验抗剪强度的标准值为Cu=10.35kPa，近似存在0.7倍的关系。

通过对室内试验数据和原位测试结果分析，根据工况不同选择相应的试验方法所得到的强度参数各不一样，但是它们具有一定的相关性。本试验数据结合理论分析也得到了较好的验证，充分说明实验数据可靠。

3 结论及建议

（1）通过对软土的三轴不固结不排水试验（UU）及无侧限抗压试验所得的数据的相关性分析，其UU测的粘聚力约等于无侧限抗压强度（qu）的二分之一，即根据室内试验结合原位测试结果分析得出三轴不固结不排水试验（UU）所测的粘聚力约为十字板剪切试验的0.7倍，即UU≈0.7τ。

图4 典型测点抗剪强度与深度关系图

（2）由于软土的灵敏度数值普遍较大，说明其结构性比较强，扰动之后其力学指标将会有较大的降低，所以室内试验统计得出的c、φ值偏低。

（3）通过多种原位测试和现场试验统计得出，其十字板剪切试验获取的软土强度参数与实际工程中的力学参数最为接近，建议在软土勘察中首选十字板剪切试验来确定该地层的力学参数是较为合理的。